Bilim insanları, Google’ın Sycamore adlı kuantum işlemcisinin çekirdeğindeki ‘kubitleri’ (kuantum hesaplamadaki geleneksel bilgisayar bitinin bir çeşidini) kullanmak yoluyla, yaklaşık 100 saniyelik bir zaman diliminde zaman kristali oluşturmayı başardılar.
Google kuantum bilgisayarında yapılan ‘zaman kristali’ fiziği sonsuza dek değiştirebilir! Termodinamiğin ikinci yasasını ihlal eden zaman kristali, fizikte benzerine rastlanmamış bir davranış sergiliyor.
Google ile ortaklaşa çalışan araştırmacılar, teknoloji devinin sahip olduğu kuantum bilgisayarını ‘zaman kristali’ adı verilen tam anlamıyla yeni bir madde aşaması/hali oluşturmak için kullanmış olabilirler. Enerji kaybetmeden iki durum [maddenin hali] arasında sonsuza dek bir döngü yaratabilme becerisini barındıran zaman kristalleri, fiziğin en mühim yasalarından birinin -kapalı bir sistemdeki bozulmanın ya da ‘entropinin’ daima artması gerektiğini vurgulayan termodinamiğin ikinci yasasının- etrafından dolanıyor. Anlaşılması zor olan bu zaman kristalleri sürekli bir akış halinde var olmasına karşın, herhangi bir rastgeleliğe giden çözünmeye direnerek kararlı kalıyorlar.
Google’ın kuantum işlemcisi kullanarak yaratıldı
28 Temmuz’da arXiv adlı ön baskı veri tabanına yollanan bir araştırma makalesinde aktarıldığı kadarıyla, bilim insanları, Google’ın Sycamore adlı kuantum işlemcisinin çekirdeğindeki ‘kubitleri’ (kuantum hesaplamadaki geleneksel bilgisayar bitinin bir çeşidini) kullanmak yoluyla, yaklaşık 100 saniyelik bir zaman diliminde zaman kristali oluşturmayı başardılar.
Bu garip yeni madde aşamasının mevcudiyeti ve ortaya koyduğu tam anlamıyla yeni fiziksel davranış alanı, özellikle de zaman kristallerinin var olabileceği fikri yalnızca dokuz yıl önce ortaya atıldığından, fizikçiler açısından inanılmaz derecede heyecan verici. Çalışmaya dahil olmayan ve İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nde görev yapan fizikçi Curt von Keyserlingk, Live Science dergisinde verdiği demeçte, “Bu büyük bir sürprizdi” diyor: “30, 20, hatta belki 10 yıl önce birine sorsaydınız, bu sonucu beklemezdi.”
Fizikçilerin gözünde zaman kristalleri büyüleyici nesnelerdir; zira, fizikteki en sert yasalardan biri olan termodinamiğin ikinci yasasını gerçekten de atlatırlar. [Bu yasa] Entropinin (bir sistemdeki bozunma/düzensizlik miktarını simgeleyen bir terim) her zaman arttığını ifade eder. Eğer daha düzenli bir şey yaratmak istiyorsanız, daha fazla enerji harcamanız gereklidir.
Entropiye meydan okuyan parçacık
Bu düzensizliğin artma eğilimi, eldeki malzemeleri bir karışıma eklemenin neden onları tekrar birbirinden ayırmaktan daha kolay olduğu ya da kulaklık kablolarının neden pantolon ceplerinde bu kadar karıştığı gibi birçok olguyu açıklar. Bununla beraber, geçmişteki evrenin daima şimdiki zamandan daha düzenli olduğu zaman okunu da belirler; mesela, bir videoyu tersine izlemek garip görünebilir; çünkü bu entropik akışın mantık dışı biçimde tersine dönüşüne tanık olursunuz.
Zaman kristalleri ise bu kurala uymaz. Ağır ağır termal dengeye yaklaşmak, yani enerjileri ya da sıcaklıkları çevrelerine doğru eşit olarak dağıtılacak biçimde ‘termalleşmek’ yerine, bu denge halinin üzerindeki iki enerji durumu arasında sıkışıp kalırlar ve bunların arasında sürekli biçimde ileri geri çevrime girerler.
Von Keyserlingk, bu davranışın nasıl da olağandışı olduğunu açıklamak için, milyonlarca defa çalkalanmadan önce madeni paralarla dolu mühürlü bir kutuyu hayal ettiğini söylüyor. Madeni paralar birbirleriyle çarpışıp zıpladıkça ve sektikçe, sarsıntı duruncaya kadar “keşfedebilecekleri her türden duruşu keşfederek gittikçe daha kaotik hale gelirler” ve madeni paraları rastgele bir düzenleme içinde, kabaca yarısı yukarı ve yarısı aşağı bakacak şekilde durdurmak için kutu açılır. İlk düzenleme şeklimizden bağımsız olarak, kutudaki paraları bu rastgele, yarısı yukarı, yarısı aşağı bakacak şekilde görmeyi bekleyebiliriz.
Google’ın Sycamore sisteminin ‘kutusunun’ içindeyken, kuantum işlemcinin kubitlerini örnekteki madeni paralarımız gibi görebiliriz. Madeni paralar yazı ya da tura olabilecekleri gibi, kubitler de -iki durumlu bir sistemdeki iki muhtemel konum olan- ya ‘1’ ya da ‘0’ olabilir veya ‘süperpozisyon’ adı verilen, her iki durumla ilgili olasılıkların garip bir karışımı halinde olabilirler. Von Keyserlingk’in aktardığı kadarıyla, zaman kristalleriyle ilgili tuhaf olan şey, hiçbir sarsıntı düzeyinin ya da bir durumdan diğerine geçiş yapmanın, zaman kristalinin kubitlerini rastgele bir düzenleme olan en düşük enerji durumuna taşıyamaması; yalnızca başlangıç durumundan ikinci duruma, ardından tekrar geri dönebiliyorlar.
Sonsuz bir döngüdeki sarkaç gibi
Von Keyserlingk, “Kısaca pinpon topu gibi bir şey” diyor: “Neticede, rastgele gibi görünmüyor, yalnızca [iki durum arasında] sıkışıp kalıyor. Sanki başlangıçta neye benzediğini hatırlıyor ve zamanla bu kalıbı tekrarlıyor.”
Bu anlamda, bir zaman kristali, sallanmayı hiç bırakmayan bir sarkaca benziyor.
İngiltere’de bulunan Loughborough Üniversitesi’nde fizikçi ve 2015’te bu yeni aşamanın teorik olasılığını ilk keşfeden bilim insanları arasında olan Achilleas Lazarides, Live Science’a verdiği demeçte, şöyle diyor: “Bir sarkacı sürtünme ve hava direncinin olmadığı biçimde evrenden fiziksel olarak tam anlamıyla yalıtsanız dahi, en nihayetinde durur. Ve bu durum, termodinamiğin ikinci yasasından kaynaklanır. Enerji, sarkacın kütle merkezinde yoğunlaşmaya başlar ama -atomların bir çubuğun içinde titreşebileceği yollar gibi- tüm bu içsel serbestlik dereceleri en nihayetinde içine aktarılacaktır.”
İşin gerçeği, büyük ölçekli bir nesnenin mantıksız görünmeksizin bir zaman kristali gibi davranmasının bir yolu mevcut değildir; zira zaman kristallerinin var olmasını sağlayan yegâne kural, aşırı derecede küçük olan kuantum mekaniğinin dünyasına yön veren ürkütücü ve gerçeküstü kurallardır.
Kuantum dünyasında, nesneler aynı anda hem nokta halindeki parçacıklar hem de küçük dalgalar gibi davranırlar; bu dalgaların herhangi bir uzay bölgesindeki büyüklüğü, o yerde bir parçacık bulunması ihtimalini temsil eder. Buna karşın, (bir kristalin yapısında bulunan rastgele kusurlar ya da kubitler arasındaki etkileşim kuvvetlerinde programlanmış bir rastgeleliğe benzer) rastgelelik, bir parçacığın olasılık dalgasının kendisini çok küçük bir bölge dışında her yerde ortadan kaldırmasına yol açabilir. Yerinde kök salmış, hareket edemeyen, durumunu değiştiremeyen ya da etrafıyla termalleşemeyen parçacık, belirli bir yerde lokalize hale gelir.
Deneyler başarıya ulaştı
Araştırmacılar, deneylerinde temel olarak bu yerelleştirme sürecini kullandılar. Bilim insanları, kubitler için 20 süper iletken alüminyum şeridi kullanarak, her birini iki muhtemel durumdan birine programladılar. Daha sonra, şeritler üzerinde bir mikrodalga ışını patlatarak, kubitleri durumları tersine çevirmek amacıyla kullanabildiler; araştırmacılar aynı deneyi on binlerce defa daha yinelediler ve kubitlerin bulunduğu durumları kaydetmek amacıyla farklı noktalarda durdular. Ulaştıkları sonuç, kubit kümelerinin yalnızca iki düzenleme arasında ileri-geri gidip geldiğiydi ve ayrıca kubitler mikrodalga ışınından gelen ısıyı emmiyorlardı; sonunda bir zaman kristali yaratmışlardı.
Bununla birlikte, zaman kristallerinin, maddenin bir evresi olduğuna ilişkin mühim bir ipucuna rastladılar. Bir şeyin bir faz olarak kabul edilebilmesi için, dalgalanmalar karşısında genelde çok kararlı olması gerekir. Çevrelerindeki sıcaklıklar biraz değiştiğinde katı nesneler erimez; hafif dalgalanmalar da sıvıların birdenbire buharlaşmasına ya da donmasına sebep olmaz. Aynı şekilde, eğer kubitleri durumlar arasında çevirmek amacıyla kullanılan mikrodalga ışını, mükemmel bir çevrim için gereken tam 180 dereceye yakın fakat biraz uzağında olacak biçimde ayarlanırsa, kubitler yine de diğer duruma çevrilir.
Lazarides, “Şayet kesin biçimde 180 derecede değilseniz, onları dönüştüreceğiniz durum bu değildir” diyor: “Küçük hatalar yapıyor olsanız bile, [zaman kristali] sihirli bir şekilde daima size biraz ipucu verir.”
Bir evreden bir başkasına geçmenin bir diğer ayırt edici özelliği, fiziksel simetrilerin kırılmasının, fizik yasalarının zaman veya uzayın herhangi bir noktasında her nesne için aynı olduğu fikridir. Sıvı haldeyken suda bulunan moleküller uzaydaki her noktada ve her yönde aynı fiziksel yasaları izler; fakat suyu buza dönüşecek düzeyde soğutursanız, molekülleri, kendilerini düzenlemek için bir kristal yapı veya kafes biçiminde düzenli noktalar seçer. Birden bire, su molekülleri uzayda işgal edilecek bazı noktaları tercih eder ve diğer noktaları boş bırakırlar; suyun uzamsal simetrisi kendiliğinden bozulur.
Buzun uzamsal simetriden koparak uzayda bir kristal haline gelmesine benzer şekilde, zaman kristalleri de zaman simetrisinden koparak zaman içinde kristalleşir. Başlangıçta, zaman kristali fazına dönüşmeden önce, kubit dizisi zaman içindeki tüm anlar arasında sürekli bir simetri yaşar. Bununla birlikte, mikrodalga ışınının periyodik döngüsü, kubitlerin sahip olduğu durağan koşulları ayrı paketlere böler (ışın tarafından uygulanan simetriyi ayrı bir zaman-dönüşüm simetrisi haline getirir). Sonrasında, kubitler ışının dalga boyunun iki katı periyotta ileri-geri çevrilerek, lazer tarafından uygulanan ayrık zaman çeviri simetrisi aracığıyla birbirinden ayrılır. Onlar, bunu yapabildiğini bildiğimiz ilk nesnelerdir.
Tüm bu gariplik, zaman kristallerini yeni fizik açısından verimli hale getirir ve Sycamore sisteminin başka deneysel kurulumların ötesinde araştırmacılara sağladığı kontrol, onu daha çok araştırma için kusursuz bir platform haline getirebilir. Yine de bu, daha fazla geliştirilemeyeceği anlamına gelmez. Bütün kuantum sistemlerinde olduğu üzere, Google’ın kuantum bilgisayarının kubitlerinin de neticede kuantum lokalizasyon etkilerini parçalayarak zaman kristalini yok eden ‘uyumsuzlaşma’ adı verilen bir süreçten geçmesini önlemek için, çevresinden tam anlamıyla yalıtılması gerekir. Araştırmacılar, işlemcilerini daha iyi yalıtmanın ve uyumsuzlaşmanın etkisini azaltmanın yollarını bulmaya çalışıyorlar; buna karşın, etkiyi sonsuza dek ortadan kaldırmaları pek muhtemel görünmüyor.
Yazan: Ben Turner – Live Science sitesinden alınmıştır. (Çeviri: Tarkan Tufan)
